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人类病毒的三维细胞培养模型

与传统的二维(2D)模型相比,三维(3D)模型可提供重复的结果,具有灵活性,可适应高通量实验,并可提供独特的洞察细菌学、病毒学、寄生虫学和宿主病原体间相互作用的方法,本文综述了人类三维细胞培养模型病毒学研究的最新进展。

传染病是人类面临的主要挑战,虽然多年来在疾病预防上取得重大进展,但致病微生物对人类健康仍是巨大威胁。新的病毒性疾病不断出现,如H7N9流感病毒,埃博拉病毒,Zika病毒等。剖析病毒性疾病的机制并制备出相应的抗病毒疫苗是应对此类疾病的关键。

污网目前对人类病毒性疾病的了解主要基于传统二维细胞培养。二维单层培养对模拟体内微环境有明显的局限性,该模型并不能准确再现自然感染过程。而三维模型可以更准确地模拟体内的生理环境,有助于理解病毒与宿主之间的相互作用及机制,促进抗病毒药物的发展。

在三维细胞的培养中,基质/支架培养可作为模仿细胞外基质(ECM)的平台,充分发挥生物材料在组织工程中的作用。目前,最常见的3D支架是衍生聚合物材料,在植物、动物或人体组织中直接提取,具有良好的生物相容性。然而,天然ECM支架也会遭到器官的免疫反应。越来越多的合成聚合物已被广泛应用于组织工程中,合成材料包括聚苯乙烯、聚己内酯等。在三维细胞培养中,合成聚合物比自然聚合物更具优势,能够更好地促进细胞粘附和增殖。

三维模型的优缺点:在三维细胞培养模型中,细胞可以在三维空间中生长和迁移,进一步促进细胞增殖分化,充分再现三维组织的功能,更准确地模拟细胞微环境,一些新兴的三维模型还可以让营养物质和代谢产物经由细胞。但三维模型并不能复制体内所有复杂的生理特征,他们往往缺乏正常脉管系统及小分子的转运功能,并会产生宿主免疫反应。

人类的病毒研究适用于以下几种三维培养模型:

1.利用三维多细胞球体(MCS)模型培养:它能够快速发现转化细胞中形态的变化,因此对癌症研究特别有用。其中多细胞肿瘤球体模型的表型特征接近人类肿瘤组织,对于人类肿瘤学的研究意义深远。目前球体生产有以下几种方法:微调法,悬滴法,液体叠加法,旋转容器法。MCS模型也被作为人类病毒研究的基本单位。

2.使用RWV(悬浮培养容器)或RFB(生物反应器)进行三维细胞培养。细胞通过介质生成三维细胞聚集体,最后对聚集体收获和分析。RWV作为一个优化的悬浮培养容器,可以体现三维细胞的极性,允许氧气和营养物质扩散到细胞聚集体,防止组织以及核坏死。总之,RWV提供了一个有用的模型系统用以研究人类病毒,并有可能应用于抗病毒药物及相关疫苗的开发和筛选中。

3.器官上皮筏式培养: 筏式培养能够精确模拟体内形态以及表皮的生理特性,该系统的发明是HPV研究的重要里程碑。

4.支架/基质培养:丙型肝炎病毒的研究已被应用于该矩阵模型。

三维系统中的人类病毒研究:

1. 人乳头瘤病毒(HPV)。HPV类型分为低风险和高风险型,HPV不能在二维单层培养中传播,利用器官上皮筏式培养通过分化产生分层,用于研究HPV的生命周期。研究表明,非结构基因HPV18能够有效地与结构基因HPV16相互作用,将有利于HPV相关癌症治疗方法的形成。

2. 人类免疫缺陷病毒(HIV)。一种新的三维细胞培养系统—牙龈上皮细胞的器官筏式模型已建立。有研究利用牙龈上皮细胞的器官筏式系统探讨抗HIV药物对牙龈上皮细胞生长和分化的影响,并初见成效。

3. 丙型肝炎病毒(HCV)。HCV的相关研究已在以下三维细胞培养系统中得出报告:三维RFB、三维RWV和基于支架/基质的三维培养。三维细胞培养可以更紧密地模拟体内肝细胞极化和分化的状态,研究人员通过RWV培养形成的多层三维聚集体为分析丙型肝炎病毒感染与宿主细胞的关系提供了一种新方法。

4. 戊型肝炎病毒(HEV)。研究表明HEV可以有效地复制,但目前对于HEV的生命周期依然知之甚少。

5. 人类疱疹病毒(HSV)。器官上皮筏式培养可以准确模拟体内生理的环境,具体化合物如膦甲酸钠和西多福韦,可以减少HSV在筏式培养中的复制与传播。

6. 水痘-带状疱疹病毒(VZV)。器官上皮筏式模型已应用于VZV,新的三维培养方法也可能适用于该类病毒的预防和治疗。

7. 腺病毒(ADV)。产生于在上皮细胞,传播力强。三维球体模型已被用于研究肿瘤及腺病毒之间的相互作用,研究表明,腺病毒能有效提供转基因培养的表达荧光蛋白的腺病毒载体。

8. 诺如病毒。利用三维培养模型进行人胃肠上皮细胞培养。结果表明,该模型支持诺如病毒的复制与生长。

三维细胞培养是一种新兴的技术,三维动力学成像的发展可促进三维细胞培养的研究进展。三维培养为污网提供了一个潜在的工具,来研究病毒的生长,感染及发病机制。3D共培养对于研究病毒之间的相互作用,预防、诊断和治疗新型病毒性疾病具有巨大潜力。

 

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点击次数:  更新时间:2019-09-10 11:43:01  【打印此页】  【关闭
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